淺談地球物理方法在礦山水文地質(zhì)中的應(yīng)用

肖 旸

（四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局109地質(zhì)隊，四川 成都 610100）

隨著工業(yè)化的發(fā)展，礦業(yè)的探采需求越來越大，礦山探采帶來了許多環(huán)境問題，大量的探采活動帶來了污染物的排放和堆積，而且?guī)砹酥亟饘傥廴?、土地退化、生物多樣性喪失和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等一系列廣泛的環(huán)境問題。生態(tài)系統(tǒng)和景觀破壞嚴重威脅了人類健康。地球物理勘探技術(shù)簡稱為物探技術(shù)，它的主要原理是根據(jù)地殼中各種巖、礦石間的物理性質(zhì)差異（如密度、磁性、電性、彈性、放射性差異等）為物質(zhì)基礎(chǔ)的，利用物理學(xué)的原理，通過觀測和研究因巖、礦體物理性質(zhì)差異而引起相應(yīng)的地球物理場（如重力場、地磁場、電場等）在空間上的局部變化（稱為地球物理異常），就可以推斷地下地質(zhì)構(gòu)造或礦體的賦存狀況，達到地質(zhì)調(diào)查目的的一種應(yīng)用科學(xué)。礦業(yè)開發(fā)和環(huán)境污染已成為經(jīng)濟社會發(fā)展的主要制約因素。

在我國，隨著環(huán)境污染的加劇，地下水的質(zhì)量正在惡化。地球物理探測技術(shù)以其低成本、高速度等優(yōu)點得到廣泛地應(yīng)用，因此，本文介紹了地球物理方法在礦山水文地質(zhì)中的應(yīng)用。

1 礦山物理勘探的基本現(xiàn)狀

我國的地球物理勘探技術(shù)始于1920年[1]，此時中國地球物理學(xué)進入快速發(fā)展階段，1950年，新中國地球物理勘探開始利用磁電法在各個區(qū)域勘探鐵礦。1950年代和1970年代是地球物理勘探行業(yè)快速發(fā)展的階段[2]，地質(zhì)部門相繼成立了地球物理勘探隊伍。這一時期發(fā)現(xiàn)了大量的淺層礦山。這些礦山是第一批地方物探的試驗點，基本覆蓋了全國。

1980年和1990年初期，第一次區(qū)域物探完成，物探逐漸轉(zhuǎn)向地表礦物的勘探。這一時期為我國地球物理勘探的黃金時代[3]，在改革開放的初期階段，我國引進了大量先進的勘探設(shè)備。研究了物探的新方法和新技術(shù)，因此這一階段我國的礦山物理探采技術(shù)進步飛快，這一時期也是地球物理勘探數(shù)據(jù)處理快速發(fā)展的階段。為實現(xiàn)飛躍，需要將現(xiàn)有的地球物理方法系統(tǒng)化和集成化。

1990年隨著我國改革的不斷深入，地質(zhì)勘探機構(gòu)開始逐步向多元化、市場化轉(zhuǎn)型[4]，整個國內(nèi)的礦業(yè)市場停滯不前。然而，地球物理勘探工作顯示，這一時期發(fā)現(xiàn)了許多重要的礦床。自2003年以來，隨著全國礦業(yè)市場的回暖和國務(wù)院地質(zhì)工作會議的召開，進入了地質(zhì)勘查的春天，出現(xiàn)了多種新方法，物理勘探也發(fā)展的越來越好[5]。

2 地球物理勘探的應(yīng)用原理

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)地球物理測井方法在礦山水文地質(zhì)勘查工作中發(fā)揮了重要作用。地球物理方法不僅可以準確判斷礦井地下水水質(zhì)，還可以提供真實詳細的地層資料，使勘探人員充分了解地面水文條件的基本情況，促進礦井有針對性、有效的開發(fā)利用，因此分析了地球物理法勘探的基本應(yīng)用原理。

首先是明確含水層，確定含水層的具體位置、厚度等特征，要促進水文地質(zhì)調(diào)查的順利開展，需要進行對比分析，主要采用的方法有：聲波測井法和油井流體電阻率測井法。

含水層的含水量可以在分析后確定，含水層的電阻率小于圍巖的電阻率，密度和孔隙度也更小，結(jié)合電阻率差異可以有效區(qū)分。確定含水量后需要測量地下水鹽度，測量地下水鹽度時一般采用自發(fā)電位記錄法。需要利用自然電位記錄曲線的非定常值，總結(jié)出地下水的電阻值。然后利用兩者之間的反比關(guān)系來確定地下水的礦化狀態(tài)。測量時需要注意地層阻力與地下水礦化程度之間的關(guān)系。除此之外，在地下水礦化測量的過程中，超聲曲線主要反映了裂縫的變化狀態(tài)，可以利用超聲曲線明確具體的裂縫層結(jié)構(gòu)。這種測量方法也稱為伽馬測井。若求出自然伽馬曲線的幅值，則可結(jié)合曲線變化程度判斷水分含量。該曲線還可用于預(yù)測裂縫發(fā)育的狀態(tài)，裂紋越大，硬化程度越高。

在實際測量中，由于巖石的裂縫密度低，測得的電阻值小，聲時差大。據(jù)此可以確定，自然伽馬測井值越大，裂縫中含泥量越大。因此，該方法可測定巖石裂縫的含泥量。鉆井和巖石類型分析可以判斷巖體阻抗和密度的差異，在實際勘探工作中，可以結(jié)合這種差異對不同類型的巖石進行準確分段。通過鉆孔法，可以幫助勘探者進一步明確鉆井剖面的具體情況，從而提高鉆井作業(yè)的效率，提高整體勘探作業(yè)質(zhì)量。另外，井溫圖可檢測礦山的水文地質(zhì)狀態(tài)，由于巖石的導(dǎo)熱系數(shù)比水體小，所以用井溫圖檢測時，巖石和水體都可以提供多種測溫曲線，幫助地下水勘探。

3 地球物理方法在礦山水文地質(zhì)中的應(yīng)用

3.1 激發(fā)極化判斷圍巖狀況

激發(fā)極化法主要利用礦體的激發(fā)極化反應(yīng)來進行勘探，通過分析礦體的極化反應(yīng)頻率，記錄此時的頻率數(shù)據(jù)來分析此時礦山的地質(zhì)變化，該方法研究了電阻率隨頻率的變化，可以準確反映圍巖的狀況和分布。同時打破空間限制，可同時測量各種參數(shù)。在實際水文地質(zhì)工程勘察過程中，可以將檢測效率提升到最高。

3.2 自然電場勘測水體深度

自然電場法是地球物理方法中的一種較為常見的方法，其主要利用了自然電場，記錄電場變化的范圍，從而得到礦山水文地質(zhì)信息，該方法起源較早，是一種古老的勘探方法。自然電場法將地下已經(jīng)吸水的礦物資源看成一個自然電場，通過減少地下水的滲透，實時監(jiān)測礦產(chǎn)資源和巖石的吸水狀態(tài)，一旦狀態(tài)改變，其形成的電場范圍自然會改變，因此可以有效勘探地下水的深度和水流變化，該方法的原理圖如圖1所示。

圖1 自然電場法原理圖

由圖1可知，自然電場法不僅可用于地下水源勘探，還可用于古河流調(diào)查，被廣泛應(yīng)用于考古研究。它可以準確推斷特定區(qū)域內(nèi)是否存在水資源，以及水資源隨時間的分布情況。

3.3 瞬變電磁勘探深部資源

瞬變電磁法主要是利用電磁場來實現(xiàn)地質(zhì)勘探的，其操作的步驟簡單，首先利用瞬變的電磁激發(fā)接地磁場，記錄磁場第一次接受間歇的時間，根據(jù)該間歇時間繪制出電磁曲線，從而進行地質(zhì)勘探，檢測此時勘探地形的內(nèi)部是否存在礦產(chǎn)資源，除此之外，在記錄間歇時間時，如果繪制出的曲線呈衰減狀態(tài)，則此時地下水的分布可能較深，隨著時間的變化逐步繪制出穩(wěn)定的曲線圖，即可實現(xiàn)深層地質(zhì)的勘探，該方法廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)工程項目中的石油勘探、煤炭勘探、金屬勘探和地?zé)豳Y源勘探等各個領(lǐng)域，具有非常重要的勘探價值。

3.4 地面核磁共振勘探地面游離水

地面核磁共振法是地球物理方法的一種，可以用來勘探礦山中的水資源，也是目前世界上僅有的直接勘探水源的地球物理方法，地面核磁共振法主要利用了材料之間的核磁共振反應(yīng)，觀察勘探過程中的核磁共振變化從而勘探水源，該方法使用了一種勘探水儀來記錄核磁共振反應(yīng)的變化，一旦在勘探時發(fā)現(xiàn)了游離水，則勘探水儀可以立即將信號發(fā)送到勘探中心，實現(xiàn)水源的探測，但是，地面核磁共振法存在致命缺點，即無法探測到深部地下水，其照射范圍限制在150m以內(nèi)，而且容易受到其他電磁噪聲的影響，影響勘探效率。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著我國經(jīng)濟水平的逐步提高，對礦山水文地質(zhì)勘探的需求不斷增加。利用地球物理方法進行探測，不僅可以有效提高勘探工程的整體效率和質(zhì)量，還可以大大降低勘探成本，在實際礦山水文地質(zhì)勘探工程中具有很大的適用性，地球物理要回答的問題不能停留在物性資料的解釋上，而是要直接回答與水文地質(zhì)相關(guān)的問題。但是現(xiàn)階段，地球物理探測技術(shù)仍存在不足，需要加強深入研究，進一步提高地球物理勘探水平，提升勘探效果，為礦山水文地質(zhì)勘探工作的開展提供有力的技術(shù)支撐，實現(xiàn)最大限度地開采。